材料力学性能1拉伸new

1、关于性能关于性能l什么是力学性能？什么是力学性能？ 材料在外加载荷（外力）作用下或载荷与环境因素（温材料在外加载荷（外力）作用下或载荷与环境因素（温度、介质、加载速率）联合作用下所表现的行为（力学行度、介质、加载速率）联合作用下所表现的行为（力学行为）。为）。评定材料质量优劣的依据，进行安全设计的主要参数。评定材料质量优劣的依据，进行安全设计的主要参数。l机械性能：机械性能： mechanical propertiesl表现形式：表现形式： 与弹性和非弹性反应相关或涉及应力与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系，宏观上应变关系，宏观上表现为变形和断裂。表现为变形和断裂。Mechanical

2、 properties Mechanical Tests- Strength - Tension test-Plasticity- Ductile（延性）（延性） - Stiffness（刚度）（刚度）- Hardness - Hardness test- Toughness(韧性韧性) - Impact testl主要力学性能指标主要力学性能指标l强度、塑性、硬度强度、塑性、硬度l冲击韧度、断裂韧性冲击韧度、断裂韧性l耐磨性、缺口敏感性耐磨性、缺口敏感性l疲劳性能、高温性能疲劳性能、高温性能力学性能力学性能化化学学成成分分内内 因因冶冶金金质质量量组组织织结结构构残残余余应应力力表表面面内内

3、部部缺缺陷陷载载荷荷性性质质外外 因因应应力力状状态态载载荷荷谱谱温温度度环环境境介介质质关于失效关于失效l失效现象：失效现象： 材料对变形和断裂的抗力与服役条件不相适应，便会使材料对变形和断裂的抗力与服役条件不相适应，便会使机件失去预定的效能。机件失去预定的效能。l表现形式：表现形式： 过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损。过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、磨损。l失效分析：失效分析： 找出失效的原因，分清责任，给出解决方案。找出失效的原因，分清责任，给出解决方案。对力学性能的进一步理解对力学性能的进一步理解 材料抵抗外加载荷（外力）引起的变形和断裂的能力或材料抵抗外加载荷（外力）引起的变

4、形和断裂的能力或材料失效抗力。材料失效抗力。l 力学性能测试方法：力学性能测试方法： 国家标准，在实验室条件下测试。国家标准，在实验室条件下测试。l力学性能指标：力学性能指标： 某力学参量某力学参量相应的力学性能指标（失效判据）相应的力学性能指标（失效判据） 强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性等。强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性等。 评定材料质量的主要依据，选材和强度计算的主要依评定材料质量的主要依据，选材和强度计算的主要依据。据。关于力学性能指标关于力学性能指标l实验室条件与实际使用条件的差别：实验室条件与实际使用条件的差别： 尺寸效应、结构效应、应力状态。尺寸效应、结构效

5、应、应力状态。l力学性能指标的本质、物理概念、实用意义：力学性能指标的本质、物理概念、实用意义： 某力学参量某力学参量相应的力学性能指标（失效判据）相应的力学性能指标（失效判据）l力学性能指标间的关系：力学性能指标间的关系： 如强度、塑性、韧性间的关系。如强度、塑性、韧性间的关系。l微观机理，指标与材料成分、组织的关系微观机理，指标与材料成分、组织的关系l正确、合理使用材料，研制新材料；正确、合理使用材料，研制新材料；l改进、开发冷热加工工艺，发挥材料性能潜力；改进、开发冷热加工工艺，发挥材料性能潜力；l为构件失效分析提供基础。为构件失效分析提供基础。学习目的学习目的l力学性能指标的本质、物理

6、意义、实用意义、力学性能指标的本质、物理意义、实用意义、指标间的关系；指标间的关系；l材料在服役条件下的失效现象和微观机制；材料在服役条件下的失效现象和微观机制；l影响力学性能指标的内在因素和外在因素，影响力学性能指标的内在因素和外在因素，提高的方向和途径；提高的方向和途径；l力学性能测试技术。力学性能测试技术。学习内容学习内容 教学内容安排教学内容安排第一章第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能第二章第二章 金属在其他静加载下的力学性能金属在其他静加载下的力学性能第三章第三章 金属在冲击载荷下的力学性能金属在冲击载荷下的力学性能第四章第四章 金属的断裂韧性金

7、属的断裂韧性第五章第五章 金属的疲劳金属的疲劳第六章第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属的应力腐蚀和氢脆断裂第七章第七章 金属磨损和接触疲劳金属磨损和接触疲劳 第八章第八章 金属高温力学性能金属高温力学性能第一章第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能金属在单向静拉伸载荷下的力学性能l试验方法：试验方法： 单向静拉伸试验；静载荷指载荷大小、方向不随单向静拉伸试验；静载荷指载荷大小、方向不随时间发生变化。时间发生变化。l特点：特点： 温度、应力状态、加载速率确定温度、应力状态、加载速率确定l试样：试样： 标准试样或非标试样标准试样或非标试样l三种失效形式：三种失效形式： 过量弹性变形、塑性变形、

8、断裂过量弹性变形、塑性变形、断裂l性能指标：性能指标： 最基本的力学性能指标（强度、塑性等）最基本的力学性能指标（强度、塑性等）关于试验方法关于试验方法记录下载荷（力）和伸长量，得到记录下载荷（力）和伸长量，得到F-L曲线。曲线。拉伸实验过程拉伸实验过程Load elongationl夹持部分夹持部分l过渡部分过渡部分l工作部分工作部分(标距标距)第一节第一节 拉伸力拉伸力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线拉伸力拉伸力- -伸长曲线伸长曲线四个阶段四个阶段: :l弹性变形弹性变形l不均匀屈服塑性变形不均匀屈服塑性变形l均匀塑性变形均匀塑性变形l不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形

9、注意注意: :l曲线形状与材料的种类和状态有关曲线形状与材料的种类和状态有关; ;l与试样尺寸有关。与试样尺寸有关。应力应力- -应变曲线应变曲线工程应力工程应力- -应变曲线应变曲线: :l工程应力工程应力l工程应变工程应变特点特点: :l使用方便使用方便, ,计算简单计算简单l未计及试样变形过程中尺寸变化对应力应变带来的影响未计及试样变形过程中尺寸变化对应力应变带来的影响第一节第一节 拉伸力拉伸力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线0AF0LLu弹性极限弹性极限u屈服强度屈服强度u抗拉强度抗拉强度u断裂强度断裂强度Terms from Engineering Stress-St

10、rain Curvel弹性模量弹性模量 Elastic modulus E=/ Elastic modulus E=/ l比例极限比例极限 Proportion strength Proportion strength p p 应力与应变成严格正比关系的最大应力应力与应变成严格正比关系的最大应力 p p=F=Fp p/A/A0 0 l弹性极限弹性极限 Elastic strength Elastic strength e e 材料由弹性变形过渡到弹材料由弹性变形过渡到弹- -塑性变形的应力塑性变形的应力 e e =F=Fe e/A/A0 0 0.0050.005 0.01 0.01 0.05

11、0.05 l屈服强度屈服强度 Yield strengthYield strengths sl抗拉强度抗拉强度 Tensile strengthTensile strengthb bTerms from Engineering Stress-Strain Curvel塑性塑性: : 材料在静载荷作用下产生塑性变形而材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。收缩率。l伸长率伸长率: : 试样拉断后标距的伸长量与原标距试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。长度的百分比。l断面收缩率断面收缩率: : 试样拉断后缩颈处

12、横截面积的试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。最大缩减量与原始横截面积的百分比。0LL0SSLow carbon steelCasting iron- curves of low-carbon st. , casting ironDuctile VS Brittle Materials Different Ductile Materials Stress0.0020.002SySyElastic PlasticElastic PlasticMost metals- Al,CuWithout yieldingLow carbon steelWith yielding St

13、ress-strain curves of different materialsTensile strengthRoom temperature1000Strain rate200Effect of strain rate on the tensile strength of copper for tests at various temperaturesStrain rate effect and Influence of temperature on stress-strain curve应力应力- -应变曲线应变曲线真实应力真实应力- -应变曲线应变曲线: :l真实应力真实应力l真实应

14、变真实应变特点特点: :l真实应变具有可加性真实应变具有可加性l真实应力应变与工程应力应变的关系真实应力应变与工程应力应变的关系第一节第一节 拉伸力拉伸力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线AFS 0ln0LLLdLeLL)1ln(e0ln0LLLdLeLL)1 (Sl关于真实应变的可加性关于真实应变的可加性例例1:1:原长原长100mm100mm 第一次加载伸长到第一次加载伸长到150mm150mm 第二次加载伸长到第二次加载伸长到200mm200mm第一节第一节 拉伸力拉伸力-伸长曲线和应力伸长曲线和应力-应变曲线应变曲线工程应变工程应变:第一次第一次 (150-100)/10

15、0=50%第二次第二次 (200-150)/150=33%总应变总应变 (200-100)/100=100%真实应变真实应变:第一次第一次 ln(150/100)=ln(3/2)第二次第二次 ln(200/150)=ln(4/3)总应变总应变 ln(200/100)=ln2Ln(3/2)+ln(4/3)=ln(3/24/3)=ln2在大变形条件下真实应变在大变形条件下真实应变与工程应变有明显区别与工程应变有明显区别.第二节第二节 弹性变形弹性变形一、弹性变形及其实质一、弹性变形及其实质l可逆变形可逆变形l原子间作用力原子间作用力l外力引起原子位移外力引起原子位移l去除外力后回到平衡位置去除外力

16、后回到平衡位置l弹性变形量一般比较小，小于弹性变形量一般比较小，小于1%l符合虎克定律符合虎克定律二、虎克定律二、虎克定律l简单应力状态下的虎克定律简单应力状态下的虎克定律 1.单向拉伸单向拉伸 2.剪切和扭转剪切和扭转 3.E、G和和 的关系的关系第二节第二节 弹性变形弹性变形yzxyyE,G)1(2EG切应力切应力 剪切模量剪切模量 切应变切应变 二、虎克定律二、虎克定律l广义虎克定律广义虎克定律 复杂应力状态复杂应力状态 主应力主应力 主应变主应变 第二节第二节 弹性变形弹性变形213313223211111EEE描述弹性的指标：弹性模量、弹性极限、弹性比功描述弹性的指标：弹性模量、弹性

17、极限、弹性比功三、弹性模量三、弹性模量l弹性应力与弹性应变的比值弹性应力与弹性应变的比值l材料刚度：材料对弹性变形的抗力材料刚度：材料对弹性变形的抗力 注意与构件刚度的区别注意与构件刚度的区别(机床主轴、床身，内燃机曲轴等机床主轴、床身，内燃机曲轴等)l反映了原子间作用力的大小，取决于原子本性和晶格类型反映了原子间作用力的大小，取决于原子本性和晶格类型l对组织不敏感，最稳定的力学性能参数对组织不敏感，最稳定的力学性能参数 第二节第二节 弹性变形弹性变形Eyyl周期表中同一周期内，原子序数周期表中同一周期内，原子序数 ， El 周期表中同一族中，原子序数周期表中同一族中，原子序数 ， El不同类

18、型的材料，其弹性模量差别很大。成分和组不同类型的材料，其弹性模量差别很大。成分和组织影响不大。织影响不大。l弹性模量是和材料的熔点成正比的，越是难熔的材弹性模量是和材料的熔点成正比的，越是难熔的材料弹性模量也越高。料弹性模量也越高。第二节第二节 弹性变形弹性变形 l零件刚度与材料刚度不同零件刚度与材料刚度不同l与材料的刚度有关外，与零件的截面尺寸与形状，载荷作与材料的刚度有关外，与零件的截面尺寸与形状，载荷作用方式有关。用方式有关。 零件刚度零件刚度=刚度刚度x截面积截面积l 提高零件的刚度，在不增加截面积的情况下，选用提高零件的刚度，在不增加截面积的情况下，选用E高的高的材料，如钢铁材料材料

19、，如钢铁材料l桥式吊车梁，需要足够刚度以免挠度偏大，起吊重物时引桥式吊车梁，需要足够刚度以免挠度偏大，起吊重物时引起振动起振动l精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工精度。的加工精度。l汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连杆汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连杆及轴承等重要零件的正常工作；若扭转刚度不足，则可能及轴承等重要零件的正常工作；若扭转刚度不足，则可能会产生强烈的扭转振动。会产生强烈的扭转振动。第二节第二节 弹性变形弹性变形四、弹性比功（四、弹性比功（Resilience）l又称弹性比能、应变比

20、能又称弹性比能、应变比能l表示材料吸收弹性变形功的能力表示材料吸收弹性变形功的能力(Capacity of material to absorb and recover the energy within elastic region)l用塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。用塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。l实际应用中用实际应用中用 0.01代替代替 e第二节第二节 弹性变形弹性变形Eaeeee2212四、弹性比功四、弹性比功第二节第二节 弹性变形弹性变形l淬火淬火+中温回火中温回火l冷变形强化冷变形强化l选低选低E的合金的合金Eaeeee2212五、滞弹性五、滞弹性l弹

21、性变形（加载或卸载）过程中应变落后于应力弹性变形（加载或卸载）过程中应变落后于应力的现象。的现象。l纯弹性体：纯弹性体： 弹性应变只与载荷大小有关，与加载的方向弹性应变只与载荷大小有关，与加载的方向和时间无关。和时间无关。l实际材料：实际材料： 不仅是应力的函数，也是时间的函数。随时不仅是应力的函数，也是时间的函数。随时间延长，产生附加弹性应变。间延长，产生附加弹性应变。l与材料的成分、组织有关。与材料的成分、组织有关。第二节第二节 弹性变形弹性变形五、滞弹性五、滞弹性l弹性滞后环：弹性滞后环： 弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线不重合，形弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线

22、不重合，形成闭合回线。说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属恢复成闭合回线。说明加载时消耗于金属的变形功大于卸载时金属恢复变形所放出的变形功。部分变形功被金属所吸收，变形所放出的变形功。部分变形功被金属所吸收，“内耗内耗”l交变载荷下：交变载荷下： 弹性滞后环、塑性滞后环。弹性滞后环、塑性滞后环。l循环韧性与内耗：循环韧性与内耗： 材料在交变载荷（振动）材料在交变载荷（振动） 下吸收不可逆变形功的能力。下吸收不可逆变形功的能力。第二节第二节 弹性变形弹性变形六、包申格效应六、包申格效应Bauschinger effectl概念：概念： 金属材料经过预先加载产金属材料经过预先加载产生少量的塑

23、性变形（残余应变生少量的塑性变形（残余应变约为约为1%-4%）,卸载后再同向加卸载后再同向加载载,弹性极限增加弹性极限增加;反向加载反向加载,弹弹性极限降低的现象性极限降低的现象. 可使某些钢和钛合金规定可使某些钢和钛合金规定残余伸长应力降低残余伸长应力降低1520。第二节第二节 弹性变形弹性变形124021763 287485MPa六、包申格效应六、包申格效应l包申格应变包申格应变: 度量包申格效应的定度量包申格效应的定量指标量指标,指给定应力指给定应力下正向加载与反向加下正向加载与反向加载两应力载两应力-应变曲线应变曲线间的应变差间的应变差.第二节第二节 弹性变形弹性变形六、包申格效应六、

24、包申格效应l物理机制：物理机制： A.位错运动受林位错的影响位错运动受林位错的影响; B.残余应力残余应力第二节第二节 弹性变形弹性变形六、包申格效应六、包申格效应l包申格效应的应用包申格效应的应用 1.对疲劳强度的影响：对疲劳强度的影响： 低周疲劳，循环软化低周疲劳，循环软化 2.成型工艺对制品强度的影响成型工艺对制品强度的影响 3.反向成型反向成型l消除办法消除办法: 1.预先进行较大的塑性变形预先进行较大的塑性变形; 2.反向加载前进行回复或再结晶退火反向加载前进行回复或再结晶退火. 第二节第二节 弹性变形弹性变形一、塑性变形方式及特点一、塑性变形方式及特点l两种常见的方式两种常见的方式

25、: 滑移、孪生滑移、孪生 第三节第三节 塑性变形塑性变形一、塑性变形方式及特点一、塑性变形方式及特点l滑移滑移 1.滑移系的多少影响金属的塑性，但不是唯一因素滑移系的多少影响金属的塑性，但不是唯一因素(如如晶格阻力晶格阻力) 2.滑移面受温度、成分、预先塑性变形影响滑移面受温度、成分、预先塑性变形影响 3.滑移方向比较稳定滑移方向比较稳定 第三节第三节 塑性变形塑性变形举例：举例：bcc与与fcc 的比较的比较Fcc-12 bcc-48 hcp-3滑移系多少影响塑性，滑移系多少影响塑性，bcchcp一、塑性变形方式及特点一、塑性变形方式及特点l孪生孪生 1.fcc、bcc、hcp三类金属都可发

26、生三类金属都可发生 2.fcc低温下变形低温下变形 3.bcc在冲击载荷或低温下变形在冲击载荷或低温下变形 4. hcp 易于孪生易于孪生 5.沿特定晶面和特定晶向进行沿特定晶面和特定晶向进行 6.孪生变形量很小，但能为滑移创造条件。孪生变形量很小，但能为滑移创造条件。 第三节第三节 塑性变形塑性变形一、塑性变形方式及特点一、塑性变形方式及特点l多晶体的塑性变形多晶体的塑性变形1.各晶粒变形的不同时性和不均匀性各晶粒变形的不同时性和不均匀性 晶粒取向：软取向、硬取向晶粒取向：软取向、硬取向 多相合金各相间的性能差异多相合金各相间的性能差异 不均匀性：晶粒间、基体与第二相间、晶粒内部不均匀性：晶

27、粒间、基体与第二相间、晶粒内部2.各晶粒变形的相互协调性各晶粒变形的相互协调性 保持多晶体的连续性保持多晶体的连续性 多系滑移：多系滑移：5个独立的滑移系个独立的滑移系 hcp滑移系少，不易协调，塑性差。滑移系少，不易协调，塑性差。 第三节第三节 塑性变形塑性变形二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点l屈服现象屈服现象(yielding)1.开始产生宏观塑性变形的一种标志开始产生宏观塑性变形的一种标志2.外力不增加（或增加到一定数值时外力不增加（或增加到一定数值时突然下降，随后不增加或上下波突然下降，随后不增加或上下波动），试样继续伸长。动），试样继续伸长。3.屈服点：屈服点： s 上屈服点

28、上屈服点 su 下屈服点下屈服点 sl4.屈服伸长、屈服平台屈服伸长、屈服平台/屈服齿屈服齿第三节第三节 塑性变形塑性变形二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点l屈服现象的特点屈服现象的特点1.不均匀塑性变形不均匀塑性变形2.吕德斯带吕德斯带/屈服线屈服线(是指退火的低碳是指退火的低碳钢薄板在冲压加工时，由于局部的钢薄板在冲压加工时，由于局部的突然屈服产生不均匀变形，而在钢突然屈服产生不均匀变形，而在钢板表面产生条带状皱褶的一种现象板表面产生条带状皱褶的一种现象)第三节第三节 塑性变形塑性变形屈服现象经常在退火、正火、调质的中、低碳屈服现象经常在退火、正火、调质的中、低碳钢和低合金钢中出现。

29、钢和低合金钢中出现。二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点l屈服现象的本质与微观机制屈服现象的本质与微观机制三个相关因素：三个相关因素：u材料在变形前可动位错密度小（大量位错被钉扎）材料在变形前可动位错密度小（大量位错被钉扎）u塑性变形产生，位错快速增殖塑性变形产生，位错快速增殖u位错运动速率和外加应力有强烈依存关系位错运动速率和外加应力有强烈依存关系第三节第三节 塑性变形塑性变形vbmv0可动位错密度、可动位错密度、 v：位错运动速率：位错运动速率沿滑移面的切应力沿滑移面的切应力0位错以单位速率运动所需的切应力位错以单位速率运动所需的切应力m位错运动速率应力敏感系数位错运动速率应力敏感系数

30、恒应变率下运恒应变率下运动位错的密度动位错的密度突然增加。突然增加。的速率）（拉伸试验机夹头移动塑性变形的应变速率:二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点l屈服现象的应用屈服现象的应用 1 .低碳钢板料冲压：低碳钢板料冲压： 皱褶现象，皱褶现象，1%-2%预变形，应变时效预变形，应变时效 2.屈服强度屈服强度 对于有明显物理屈服现象的金属材料，定义屈服点或下屈服对于有明显物理屈服现象的金属材料，定义屈服点或下屈服点为屈服强度，点为屈服强度，表征材料对微量塑性变形的抗力表征材料对微量塑性变形的抗力。 s、 sl 对于具有连续屈服特征的金属材料，定义用规定微量塑性伸对于具有连续屈服特征的金属材料

31、，定义用规定微量塑性伸长应力表征材料对微量塑性变形的抗力，相当于屈服强度。长应力表征材料对微量塑性变形的抗力，相当于屈服强度。第三节第三节 塑性变形塑性变形二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点规定微量塑性伸长应力：规定微量塑性伸长应力：u规定非比例伸长应力：规定非比例伸长应力： 从应力从应力-应变曲线得到；应变曲线得到； p0.01、 p0.05、 p0.2u规定残余伸长应力：规定残余伸长应力： 卸载法，卸载法， r0.2u规定总伸长应力：规定总伸长应力： 从应力从应力-应变曲线得到，应变曲线得到， t0.5第三节第三节 塑性变形塑性变形本书中统一用本书中统一用 s、 0.2表示表示屈服强

32、度屈服强度二、屈服现象和屈服点二、屈服现象和屈服点l屈服强度的工程应用屈服强度的工程应用 许用应力许用应力 n为安全系数，为安全系数，n2.2. 对于复杂受载状况：对于复杂受载状况： Tresca最大切应力判据：最大切应力判据： Mises畸变能判据：畸变能判据：第三节第三节 塑性变形塑性变形nss3122132322212s三、影响屈服强度的因素三、影响屈服强度的因素三点注意事项：三点注意事项： 1.屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡是影响位错增屈服变形是位错增殖和运动的结果，凡是影响位错增殖和运动的因素必然要影响屈服强度；殖和运动的因素必然要影响屈服强度； 2.实际金属材料的力学行为是许多

33、晶粒综合作用的结实际金属材料的力学行为是许多晶粒综合作用的结果，晶界、相邻晶粒约束、化学成份、第二相都产生果，晶界、相邻晶粒约束、化学成份、第二相都产生影响；影响； 3.各种外界因素影响位错运动。各种外界因素影响位错运动。第三节第三节 塑性变形塑性变形屈服强度屈服强度点点阵阵阻阻力力晶晶界界阻阻力力位位错错交交互互作作用用力力固固溶溶强强化化第第二二相相强强化化内内 因因外外 因因加加载载速速率率温温度度应应力力状状态态l 影响屈服强度的内在因素影响屈服强度的内在因素 1.金属本性及晶格类型金属本性及晶格类型 纯金属单晶体的屈服强度，从理论上讲就是位错开始运动纯金属单晶体的屈服强度，从理论上讲

34、就是位错开始运动的临界切应力，受到晶格阻力、位错间交互作用阻力。的临界切应力，受到晶格阻力、位错间交互作用阻力。第三节第三节 塑性变形塑性变形晶格阻力晶格阻力位错间交互作用阻力位错间交互作用阻力第三节第三节 塑性变形塑性变形晶格阻力：晶格阻力：bbanpeGeG2)1(21212W-位错宽度，a-滑移面的晶面间距，b-柏氏矢量的模，G-切变模量，-泊松比fcc: fcc: 位错宽度位错宽度w w较大，派较大，派- -纳力很小，屈服应力低纳力很小，屈服应力低bcc: bcc: 位错宽度位错宽度w w较小，派较小，派- -纳力很大，屈服应力高纳力很大，屈服应力高第三节第三节 塑性变形塑性变形位错间

35、交互作用阻力：位错间交互作用阻力：平行位错间的交互作用平行位错间的交互作用运动位错与林位错间的交互作用运动位错与林位错间的交互作用(对于在滑移面上运动的位错对于在滑移面上运动的位错来说，穿过此滑移面的其他位错称为来说，穿过此滑移面的其他位错称为林位错林位错)21GbLGbL-位错间距位错间距 -位错密度位错密度l 影响屈服强度的内在因素影响屈服强度的内在因素 2.晶粒大小和亚结构晶粒大小和亚结构 晶界（亚晶界）阻碍位错运动，形成位错塞积，产生应力集中。晶界（亚晶界）阻碍位错运动，形成位错塞积，产生应力集中。 第三节第三节 塑性变形塑性变形21dkyisHall-Petch公式：i-位错在晶体中

36、运动的摩擦阻力，单晶体的屈服强度位错在晶体中运动的摩擦阻力，单晶体的屈服强度d-多晶体中各晶粒的平均直径多晶体中各晶粒的平均直径ky:-晶界对强化贡献大小的钉扎常数晶界对强化贡献大小的钉扎常数l 影响屈服强度的内在因素影响屈服强度的内在因素 2.晶粒大小和亚结构晶粒大小和亚结构 第三节第三节 塑性变形塑性变形21dkyisHall-Petch公式：描述金属屈服强度与晶粒尺寸的关系描述金属屈服强度与晶粒尺寸的关系bcc 的的Ky fcc,hcp 的的Ky，bcc细晶强化效果最强细晶强化效果最强细晶强化：材料强韧化的好办法细晶强化：材料强韧化的好办法超细晶强化：大幅度改善钢的性能超细晶强化：大幅度

37、改善钢的性能Hall-Petch公式对亚晶界也适用，但公式对亚晶界也适用，但ky不同。不同。l 影响屈服强度的内在因素影响屈服强度的内在因素 3.溶质元素溶质元素 纯金属中加入溶质原子，形成合金固纯金属中加入溶质原子，形成合金固溶体，产生固溶强化。溶体，产生固溶强化。 间隙固溶体间隙固溶体 置换固溶体置换固溶体 固溶强化效果是溶质原子与位错交互固溶强化效果是溶质原子与位错交互作用能及溶质浓度的函数。作用能及溶质浓度的函数。 间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体。间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体。第三节第三节 塑性变形塑性变形l 影响屈服强度的内在因素影响屈服强度的内在因素 4.第二相第二相 合

38、金多为多相组织，基体金属（固溶体）合金多为多相组织，基体金属（固溶体）+第二相第二相 不可变形的第二相质点（位错线弯曲、绕过，位错环）不可变形的第二相质点（位错线弯曲、绕过，位错环） 可变形的第二相质点（切割质点，形成新的表面）可变形的第二相质点（切割质点，形成新的表面） 第三节第三节 塑性变形塑性变形位错环位错环位错位错不可变形不可变形第二相粒子第二相粒子滑移面滑移面可变形第可变形第二相粒子二相粒子位错位错l 影响屈服强度的内在因素影响屈服强度的内在因素 4.第二相第二相 弥散强化弥散强化:机械混掺于基体材料中的硬质颗粒引起的强化机械混掺于基体材料中的硬质颗粒引起的强化 沉淀强化沉淀强化:合

39、金元素与基体元素的化合物会引起合金强化合金元素与基体元素的化合物会引起合金强化 与第二相的尺寸、形状、数量有关与第二相的尺寸、形状、数量有关 第三节第三节 塑性变形塑性变形l 影响屈服强度的外在因素影响屈服强度的外在因素 温度、应变速率、应力状态温度、应变速率、应力状态第三节第三节 塑性变形塑性变形 随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度升高随着温度的降低与应变速率的增高，材料的屈服强度升高 体心立方金属对温度和应变速率特别敏感：低温脆化体心立方金属对温度和应变速率特别敏感：低温脆化 应力状态不同，测得的屈服强度也不同。应力状态不同，测得的屈服强度也不同。l 影响屈服强度的外在因素影响

40、屈服强度的外在因素 温度的影响：温度的影响：第三节第三节 塑性变形塑性变形 bcc金属的金属的 p-n力高，在屈服强度中有较大比例，而力高，在屈服强度中有较大比例，而 p-n属短程力，对温度十分敏感。属短程力，对温度十分敏感。l 影响屈服强度的外在因素影响屈服强度的外在因素 应变速率的影响应变速率的影响:第三节第三节 塑性变形塑性变形 mtC1、应变率效应应变率效应m-应变速率敏应变速率敏感指数感指数l 影响屈服强度的外在因素影响屈服强度的外在因素应力状态的影响：应力状态的影响：第三节第三节 塑性变形塑性变形应力状态不同，测得的屈服强度也不同。应力状态不同，测得的屈服强度也不同。扭转屈服强度比

41、拉伸屈服强度低，拉伸比弯曲屈服强扭转屈服强度比拉伸屈服强度低，拉伸比弯曲屈服强度低。度低。注意：不同应力状态下的屈服强度不同，并不是材料注意：不同应力状态下的屈服强度不同，并不是材料性质的变化，是在不同条件下的力学表现不同。性质的变化，是在不同条件下的力学表现不同。四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化）第三节第三节 塑性变形塑性变形 外力超过屈服阶段以后外力超过屈服阶段以后,进入均匀塑性变形阶段进入均匀塑性变形阶段,随应随应变增加变增加,变形抗力不断提高变形抗力不断提高.表表明金属材料具有阻止继续塑明金属材料具有阻止继续塑性变形的能力性变形的能力.原因原因: 位错增殖位错增殖,运动受

42、阻运动受阻.四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化）第三节第三节 塑性变形塑性变形Hollomon关系式关系式:nKeS S-真实应力真实应力; e-真实应变真实应变n-加工硬化指数或应变硬化指数，金属材料抵抗继续塑性变形的加工硬化指数或应变硬化指数，金属材料抵抗继续塑性变形的能力能力K: 硬化系数或强度系数硬化系数或强度系数 ，真实应变为，真实应变为1时的真实应力时的真实应力四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化）第三节第三节 塑性变形塑性变形Hollomon关系式关系式:nKeS 两种极限情况两种极限情况: :ln =0n =0，S=K=S=K=常数常数 材料在外力不增大时

43、，可继续塑性变形，没有应变硬化能力，理材料在外力不增大时，可继续塑性变形，没有应变硬化能力，理想塑性体想塑性体; ;ln =1n =1，S=Ke, S=Ke, 材料为完全理想的弹性体材料为完全理想的弹性体. .n=1/2的为的为一抛物线。一抛物线。四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化）第三节第三节 塑性变形塑性变形Hollomon关系式关系式:nKeS n n越大，材料对继续塑性变形的抗力越高。越大，材料对继续塑性变形的抗力越高。金属材料金属材料 n n =0.1-0.5=0.1-0.5四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化）第三节第三节 塑性变形塑性变形作图法求作图法求n值

44、值:enKSKeSnlglglg四、应变硬化（形变强化）四、应变硬化（形变强化）第三节第三节 塑性变形塑性变形n值的工程意义值的工程意义:l金属材料具有抗过载能力金属材料具有抗过载能力;l对材料的冷冲压性能十分重要对材料的冷冲压性能十分重要;l不能用热处理方法强化的材料不能用热处理方法强化的材料,可进行应变硬可进行应变硬化法强化化法强化.五、缩颈现象和抗拉强度五、缩颈现象和抗拉强度1.缩颈现象缩颈现象第三节第三节 塑性变形塑性变形 韧性金属材料拉伸试韧性金属材料拉伸试验时验时,均匀塑性变形达到一均匀塑性变形达到一定程度以后出现的集中塑定程度以后出现的集中塑性变形现象性变形现象.五、缩颈现象和抗

45、拉强度五、缩颈现象和抗拉强度缩颈颈部应力修正缩颈颈部应力修正第三节第三节 塑性变形塑性变形RaaRSS21ln21按计算得到真实应力按计算得到真实应力实际真应力实际真应力真实、工程应力真实、工程应力应变曲线，弹性部分重合，应变曲线，弹性部分重合，颈缩开始点位于工程曲线的左上方，颈缩开始点位于工程曲线的左上方，工程应力工程应力应变曲线颈缩后的应力降低为假象应变曲线颈缩后的应力降低为假象五、缩颈现象和抗拉强度五、缩颈现象和抗拉强度2.抗拉强度抗拉强度第三节第三节 塑性变形塑性变形u 拉断过程中最大试验力对应的应力拉断过程中最大试验力对应的应力,也称强度极限也称强度极限.u 它代表金属材料所能承受的

46、最大拉伸应力它代表金属材料所能承受的最大拉伸应力,表征对最表征对最大均匀塑性变形的抗力大均匀塑性变形的抗力.0AFbb五、缩颈现象和抗拉强度五、缩颈现象和抗拉强度第三节第三节 塑性变形塑性变形抗拉强度的实际意义抗拉强度的实际意义:l 不作为机件设计参数使用不作为机件设计参数使用,用于评定材料质量用于评定材料质量;l 对于脆性材料对于脆性材料,它与断裂强度相等它与断裂强度相等;l 屈强比屈强比( s/ b),强度储备强度储备,冲压板材的指标冲压板材的指标;l 与其它指标与其它指标(HB, -1)有经验关系有经验关系.l断后伸长率断后伸长率l断面收缩率断面收缩率六、塑性六、塑性第三节第三节 塑性变

47、形塑性变形%100001LLL材料在断裂前发生不可逆塑性变形的能力材料在断裂前发生不可逆塑性变形的能力= =均匀塑性变形均匀塑性变形+ +集中塑性变形集中塑性变形%100010AAA六、塑性六、塑性第三节第三节 塑性变形塑性变形塑性指标的意义塑性指标的意义:l塑性力学性能指标不直接用于机件设计塑性力学性能指标不直接用于机件设计;l对静载下工作的机件，要求有一定塑性对静载下工作的机件，要求有一定塑性;l防止机件偶然过载产生突然破坏，塑变有缓和应力集防止机件偶然过载产生突然破坏，塑变有缓和应力集中作用中作用;l有裂纹机件，塑性可松弛裂纹尖端局部应力有裂纹机件，塑性可松弛裂纹尖端局部应力;l金属成型

48、加工：轧制、挤压等冷热变形生产出合格品金属成型加工：轧制、挤压等冷热变形生产出合格品;l塑性反映冶金质量优劣塑性反映冶金质量优劣.七、静力韧度七、静力韧度 第三节第三节 塑性变形塑性变形韧度：韧度：材料韧性的力学性能指标，静力韧度、冲击韧度、断裂韧度材料韧性的力学性能指标，静力韧度、冲击韧度、断裂韧度韧性：韧性：金属断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力金属断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力. . 材料抵抗裂纹材料抵抗裂纹扩展的能力。扩展的能力。静力韧度：静力韧度：金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前吸收的功，金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前吸收的功，真实真实应力应力-应变曲线下的面积。应变曲

49、线下的面积。强度和塑性的综合指标。强度和塑性的综合指标。近似计算：近似计算：bsTbTUU21l失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。l断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。l断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形力学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。式。l研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。在服役过程中的安全。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂l完全断裂：完全断裂

50、： 在应力作用下（或兼有热、介质、共同作用）使金属分为两在应力作用下（或兼有热、介质、共同作用）使金属分为两个、或几个部分个、或几个部分；l不完全断裂：不完全断裂： 金属内部存在裂纹金属内部存在裂纹。l材料或结构件的断裂经历材料或结构件的断裂经历二二个阶段：个阶段： 裂纹的形成裂纹的形成、扩展。、扩展。l宏微观分析：宏微观分析： 断口形貌断口形貌（宏观断口、微观断口）（宏观断口、微观断口）l机理分析：机理分析： 裂纹如何在材料中形成、长大、裂纹的形成条件裂纹如何在材料中形成、长大、裂纹的形成条件。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂一、断裂的类型一、断裂的类型 按断裂的性质（断裂前塑性变形的大小

51、）：按断裂的性质（断裂前塑性变形的大小）：l韧性断裂：韧性断裂： 断裂前产生明显的塑性变形，断口呈暗灰色断裂前产生明显的塑性变形，断口呈暗灰色纤维状。纤维状。 5%5%l脆性断裂：脆性断裂： 断裂前无明显的塑性变形，断口呈光亮的结断裂前无明显的塑性变形，断口呈光亮的结晶状。晶状。 5%5%第四节第四节 金属的断裂金属的断裂一、断裂的类型一、断裂的类型 按裂纹扩展的路径：按裂纹扩展的路径：l穿晶断裂：穿晶断裂： 裂纹穿过晶粒内部。裂纹穿过晶粒内部。 可为韧性断裂（室温）、脆性断裂（低温）可为韧性断裂（室温）、脆性断裂（低温）l沿晶断裂：沿晶断裂： 裂纹沿晶界扩展。裂纹沿晶界扩展。 多数为脆性断裂

52、多数为脆性断裂第四节第四节 金属的断裂金属的断裂第四节第四节 金属的断裂金属的断裂穿晶断裂穿晶断裂第四节第四节 金属的断裂金属的断裂 沿晶断裂沿晶断裂 冰糖状冰糖状第四节第四节 金属的断裂金属的断裂穿晶断裂和沿晶断裂混合穿晶断裂和沿晶断裂混合一、断裂的类型一、断裂的类型 按断裂面的取向：按断裂面的取向：l正断：正断： 断裂的宏观表面与断裂的宏观表面与 max垂直。垂直。l切断：切断： 断裂的宏观表面平行于断裂的宏观表面平行于 max。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂一、断裂的类型一、断裂的类型 按断裂机理：解理断裂和剪切断裂按断裂机理：解理断裂和剪切断裂l解理断裂解理断裂-脆性断裂脆性断裂

53、金属材料在一定条件（低温），在外加正应力作用下，沿一定金属材料在一定条件（低温），在外加正应力作用下，沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂。扩展速率极高，低指数晶面。晶体学平面产生的穿晶断裂。扩展速率极高，低指数晶面。l微孔聚集型断裂微孔聚集型断裂-韧性断裂韧性断裂 在切应力作用下，产生塑性变形，通过微孔形核、长大聚合而在切应力作用下，产生塑性变形，通过微孔形核、长大聚合而导致材料分离。导致材料分离。l纯剪切断裂：纯剪切断裂： 在切应力作用下，由滑移流变导致滑移面分离而产生的断裂。在切应力作用下，由滑移流变导致滑移面分离而产生的断裂。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂二、解理断裂二、解理断裂l解理裂

54、纹的形成和扩展解理裂纹的形成和扩展l解理断裂的微观断口特征解理断裂的微观断口特征 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂1.解理裂纹的形成和扩展解理裂纹的形成和扩展 关于裂纹形成：关于裂纹形成： 解理断裂属脆性断裂，但断口附近有少量塑性变形。解理断裂属脆性断裂，但断口附近有少量塑性变形。与位错有关。与位错有关。 可通过位错运动、塞积和位错的相互作用解释。可通过位错运动、塞积和位错的相互作用解释。u位错塞积模型（位错塞积模型（Zener-Stroh理论）理论）u位错反应模型（位错反应模型（Cottrel模型）模型） 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂u位错塞积模型（位错塞积模型（Zener-Stro

55、h理论）理论） 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂Zener:Zener:切应力，滑移面上的刃错运动相互靠近，遇到障碍（晶界或切应力，滑移面上的刃错运动相互靠近，遇到障碍（晶界或第二相粒子），产生塞积，形成高第二相粒子），产生塞积，形成高nbnb、长、长r r的楔形裂纹（或孔的楔形裂纹（或孔洞形位错）洞形位错）StrohStroh：塞积处应力集中不能被塑变松弛，塞积处的最大拉应力可达塞积处应力集中不能被塑变松弛，塞积处的最大拉应力可达到理论断裂强度而产生裂纹。到理论断裂强度而产生裂纹。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂u位错反应模型（位错反应模型（Cottrel模型）模型） bccbcc的的-

56、Fe-Fe从（从（001001）面发生解）面发生解理断裂提出的。理断裂提出的。 -Fe-Fe，滑移面（，滑移面（110110），解理），解理面（面（001001），滑移方向），滑移方向111111滑移面（滑移面（110110）解理面（解理面（001001）交线交线 01001000111121112aaa第四节第四节 金属的断裂金属的断裂u位错反应模型（位错反应模型（Cottrel模型）模型） 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂u位错反应模型（位错反应模型（Cottrel模型）模型） 新位错为不动位错，两相交滑移面上的位错群在该新位错为不动位错，两相交滑移面上的位错群在该不动位错附近产生塞积。

57、当塞积位错较多时，新形不动位错附近产生塞积。当塞积位错较多时，新形成的位错好像在（成的位错好像在（001001）解理面插入一个多余的半原）解理面插入一个多余的半原子面；子面；随着反应的进行，可看成几个位错插入（随着反应的进行，可看成几个位错插入（001001）面形）面形成一个大位错，进而萌生高度为成一个大位错，进而萌生高度为nbnb的微裂纹，使之的微裂纹，使之解理开裂。解理开裂。第四节第四节 金属的断裂金属的断裂u两种模型的共同点两种模型的共同点裂纹形核前均需有塑性变形裂纹形核前均需有塑性变形 位错运动受阻，在一定条件下形成裂纹。位错运动受阻，在一定条件下形成裂纹。裂纹通常在有界面的地方存在，

58、如晶界、亚晶界、孪晶界裂纹通常在有界面的地方存在，如晶界、亚晶界、孪晶界交叉处、夹杂物、第二相与基体界面出现。交叉处、夹杂物、第二相与基体界面出现。Bcc在低温和在低温和高应变率下形成解理裂纹。高应变率下形成解理裂纹。基本出发点：切应力作用下，使位错运动，不同原因使位基本出发点：切应力作用下，使位错运动，不同原因使位错运动受阻，由塞积位错的弹性应力场的拉应力而造成开错运动受阻，由塞积位错的弹性应力场的拉应力而造成开裂。裂。 1.解理裂纹的形成和扩展解理裂纹的形成和扩展 关于裂纹扩展：关于裂纹扩展：l三个阶段三个阶段 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂1.解理裂纹的形成和扩展解理裂纹的形成和扩展

59、 关于裂纹扩展：关于裂纹扩展：l三个阶段三个阶段 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂第四节第四节 金属的断裂金属的断裂1.解理裂纹的形成和扩展解理裂纹的形成和扩展 关于裂纹扩展：关于裂纹扩展：lCottrell用能量分析法推导解理裂纹扩展用能量分析法推导解理裂纹扩展 snb2nbdGi外力作功外力作功弹性剪切位移转化弹性剪切位移转化为塑性位移为塑性位移第四节第四节 金属的断裂金属的断裂1.解理裂纹的形成和扩展解理裂纹的形成和扩展 关于裂纹扩展：关于裂纹扩展：lCottrell用能量分析法推导解理裂纹扩展用能量分析法推导解理裂纹扩展 dkGdkGdyscyissi2221c:长度相当于直长度相当于直径径d的裂纹扩展所的裂纹扩展所需的应力，或裂纹需的应力，或裂纹体之际断裂强度，体之际断裂强度，屈服时产生屈服时产生解理断裂的解理断裂的判据判据2.解理断裂的微观断口特征解理断裂的微观断口特征 第四节第四节 金属的断裂金属的断裂l 多晶体内晶粒多，取向不同